這是一篇新聞稿而非論文，原文地址：<Hindsight and foresight together more accurately 'predict' quantum system's state than foresight alone>

未來與過去決定現在——量子預測^[1]

摘要

論文摘要

在一三維波導腔中的超導諧振傳輸器(Transmon)中量子位的量子態被該波導腔內的微波場反射并探測。測量記錄中所蘊含的信息可由密度矩陣ρ(t)和輔助矩陣E(t)來表示，其中ρ(t)表示了到t時刻之前探測器所探測到的數據而E(t)則表示探測器在t時刻之后所獲得的數據。我們使用所有這些從實驗數據獲得的矩陣來推測與回測^[3]強與弱量子位測量的結果。

序

我們已經如此習慣于對神秘的謀殺，以至于我們根本無法意識到作者都用時間玩了哪些神秘的技巧。一種典型的此類謀殺發生在我們閱讀小說的時候。在看小說的時候，作者總是對我們進行信息封鎖，以至于我們在看完全書之前幾乎都不知道到底發生了些什么，直到看到最后這才恍然大悟。^[4]
　　如果小說的最后一頁被人撕去，那么會發生什么？物理學家Kate Murch博士就提出了這樣的問題：如果小說的最后一頁被撕去，那么讀者是否有可能通過閱讀之前的內容來推測出究竟發生了什么么？^[5]
　　在現實世界的謀殺案中這個問題很顯然的答案，當我們考慮量子世界的時候就變得不再可靠了——在量子世界，不確定性、非決定性是世界的根本，自然根本不管我們作為讀者的閱讀樂趣。
　　甚至于，圣路易斯安娜州華盛頓大學物理系的助理教授Murch認為就算我們已經知道了量子力學可以告訴我們的關于量子粒子的一切，你依然無法精確預測一個哪怕最簡單的實驗的結果，量子理論允許所有可能的結果。
　　主流的觀點認為，這種非確定性并不是理論的瑕疵，而是自然的真相。粒子的狀態并不是不可知，而是在測量之前尚未確定，測量的行為致使粒子塌縮到一個確定的狀態^[6]。
　　在今年二月十三日的物理評論快報(Physical Review Letters)**中，Kater Murch博士描繪了一種降低這種不確定性的方法。通過結合量子系統在目標時間之后的演化和目標時間之前的信息，他的實驗可以將對目標時刻結果的預測結果的準確率從50%提高到90%。
　　這就好比我們今天做的事情，可以反過來影響我們昨天的行為。而就如這個比喻所暗示的，實驗結果對時間和因果律，至少在量子力學為主導的微觀領域內是可以被修正的。

測量光子

直到近來，物理學家們依然只能通過實驗來測量一個量子粒子的性質與狀態，而任何這種類型的測量都將直接導致它們神秘的量子特性的喪失。
　　但1980年代與90年代物理學家們發明了一種設備允許我們測量這些脆弱的量子系統且不會導致系統塌縮到某個確定的狀態，從而保留那種奇妙的量子特性^[7]。
　　現在，Murch所用的探測量子空間的設備，是一種簡易的超導回路，并可以在接近絕對零度的時候處于量子疊加態。Murch的團隊利用這種設備的最低兩個能級（基態與第一激發態）來作為實驗的目標。在這兩個能級之間存在無數的量子疊加態。
　　通過將實驗回路置于一個微波諧振腔內來探測其量子態。少量的微波光子被送入這個諧振腔，并與超導回路發生相互作用，從而當光子離開諧振腔后，它們就會攜帶上超導回路的量子信息。
　　關鍵的是，這種“弱”的、光子不與檢測量子態耦合的測量并不會對超導回路的量子位造成干擾導致其塌縮，這是和“強”的、光子與兩態能隙共振的測量方式最大的不同，因為這種測量會導致量子態的塌縮，要么進入基態，要么進入第一激發態。

量子猜謎游戲

在PRL的論文中，Murch描繪了一種利用量子位來進行的量子猜謎游戲。
　　“在每輪量子猜謎游戲開始的時候，我們都會將超導回路置于雙態的疊加態，”Murch說，“隨后我們對系統進行強測量并記錄下測量結果，但并不將結果公開，隨后對這個系統進行弱測量。”
　　隨后，他們試圖對那被藏起來的結果進行推測，這就是那“被撕去的一頁”。
　　“利用Born公式來對結果到底是在哪個態做計算，我們發現這樣的猜測的成功率只有50%，”Murch如是說，“但你也可以利用弱測量的結果中所謂的影響矩陣來逆向計算這個結果。所要作的只是將所有的方程、矩陣、軌跡都做時間反演，再和正向的做一個綜合計算。
　　“從而，我們現在就有一條逆向的軌跡和一條正向的軌跡，如果我們對這兩部分的結果做綜合，采取同樣的權重來求和，那么我們就可以獲得一個我們稱為事后預測^[8]或者說回測的結果。”^[9]
　　而關于回測，我們有一個非常驚人的結果，那就是回測的結果具有90%的正確性。當我們試圖用這種方式來推測那被隱藏的結果時，十次中有九次是正確的。

深入兔子洞

量子猜測游戲使得我們可以獲取對量子計算和開放系統的量子控制比如化學反應更好的控制力。同樣的，這一結果對物理上更基本的問題產生深遠影響。
　　比如，這一現象認為在量子世界里時間可能既從過去流向未來也能從未來流回過去，而在經典世界里人們認為時間只能從過去流向未來。
　　“我總是認為測量會解除量子理論中時間流動的對稱性，”Murch說，“如果我們測量一個處于混合態的粒子的狀態，那么它會塌縮到混合態中的一個本征態上，這看上去就好比是一個時間中正向的傳播過程。”
　　而在量子猜測實驗中，時間的對稱性回歸了。被提升的猜中概率暗示了被弱測量的量子態以某種方式從未來影響了現在被隱藏起來的結果，就如過去的（強）測量影響到現在的結果一樣。這就表示，在經典世界中如鐵律一般的單箭頭的時間，在量子世界中是雙箭頭的。
　　“目前并不清楚為何在真實世界這個由大量粒子構成的世界^[10]里為何時間是單向的而熵總是增加，”Murch說道，“但正有很多人為了這個問題而奮斗，我有信心這個問題可以在未來幾年里被解決。”
　　然而，在時間對稱的世界里是否還存在因果律呢？為了解決這個問題，Murch打算設計一個存在反饋圈（將原因與結果聯系起來構成反饋回路）的量子實驗，并嘗試正向與反向實驗。
　　“我們將用20到30分鐘來進行其中一項測試實驗，”Murch說，“并用幾個星期來分析試驗結果數據，再用一年的時間來反復檢驗我們的腦子到底有沒有發瘋。”
　　“而到了最終的那天，”他繼續說，“我將很高興看到我們終于有了真實的實驗數據來回這那條真實的曲線了。”

小評（這段不是翻譯的）

翻譯完了這篇文章，那就順手寫個評論吧。

論文原文還沒看，就看了這篇新聞稿。
　　就新聞中的描述來說，整個實驗大致就是這樣的：
　　先用會干擾量子系統的強觀測來確定一個量子系統的狀態，但不公開，隨后在一段時間后對這個系統進行不干擾系統量子態的弱觀測，然后利用強觀測前的初態數據和弱觀測的未來數據來共同推測強觀測后的觀測結果。
　　這個過程在原有的理論體系中，應該只有50%的正確率——這就好比你拋硬幣，就算你知道了一開始硬幣是正面向上，未來第二次測量的時候也是正面向上，你依然只有50%的概率來知道第一次測量的時候是正面向上還是反面向上。
　　但這個實驗有意思的地方在于，未來的弱測量結果（第二次正面向上）反過來影響到了之前的強測量的結果（第一次到底是正面向上還是反面向上）。
　　如果這里所有的一切都沒有什么貓膩——比如那個超光速實驗中的意大利人的錯誤——那么這就是說，未來的測量會影響到過去。
　　這是非常有趣的一個現象，告訴我們時間至少在微觀領域并不是單向的。

當然，對于這個實驗，也許我們可以提供別的單時間箭頭版的理論解釋——畢竟實驗總不能唯一確定理論。
　　對于由此產生的爭論我們暫且不提。

值得讓人注意的，是讓我們換一個角度來看這個問題。
　　對于非相對論性的量子力學，我們可以通過路徑積分的手段，從作用量的泛函積分來推導出薛定諤方程。
　　同樣的行為如果你要用到相對論性量子力學（還不是量子場論）上的話，其實我們就必須做出一個“大膽”的假設——所有那些參與泛函積分運算的路徑中，必須包含來自未來的“回朔”部分的路徑。
　　這其實也就是說，當我們采用路徑積分的觀點（于是也就不是哥本哈根的觀點）來看最基本的量子過程的時候，本來就包含了未來回朔到過去的成分。

另一方面，未來影響過去就算是主流科學家里也不算是太新穎的觀點。
　　很多大牛的導師，比如《星際迷航》的科學顧問基普·索恩的老師、費曼的老師、廣義相對論圣經教材的作者約翰·惠勒，曾經就提出過“幾何動力學”，其中的一個基本結論就是未來的粒子可以影響到過去。

而，最后要說的是，如果在宏觀領域日常生活中也有這種雙向流動的時間的話，也許科幻小說《艾達》中的那種奇妙的效應就能出現了——敘述影響了存在。
　　這不得不說是一件非常有趣的事。

還有一種狂想，我們或許就能就此從量子世界中提煉出一種“時間力場”，那么我的小說《時間渡人》以及艾西莫夫的小說《永恒的終結》中的場景，就有可能發生了吧～～～～

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1. 按照英文原文直譯的話，應該是“事后與事前一起比僅靠事前能更好地預測量子態”，太繁瑣了，所以索性改得標題黨一點…… ?

2. Transmon，這是一個合成詞，在量子計算中用于以極低的電噪音來傳輸荷電量子位的超導體。詳情請戳這里。 ?

3. 原文為Retrodict，是一個合成詞，這里給翻譯為“回測”，相對于predict預測。意思是利用之后獲得的數據來反推現在的數據。 ?

4. 這方面倒是可以看我之前寫的文章《名偵探的守則》。 ?

5. 這不由得讓人想起了《艾達》和《密室物語》這兩本小說。。。 ?

6. 這是傳統的哥本哈根詮釋的說法。 ?

7. 這就是現在所謂的“弱測量”。 ?

8. 原文為hindsight predict，這里翻為“事后預測”。 ?

9. 這里在新聞稿中沒有明說的一個情況，那就是如果僅僅是利用回測，在數學上說我們依然只能得到50%的正確率，事實上即便是同時結合預測和回測，我們也只能獲得50%的正確率哦，這是數學上的前提。隨后我們才能在下一章獲得“未來的弱測量回朔性地影響了過去的測量結果”這樣的結論。 ?

10. 這里所說的真實世界，real word，實際上所指的是日常生活的宏觀低能世界。 ?